General Physics (1) PDF Lecture Notes

‫الفيزياء العامة ( ‪) 1‬‬ ‫)‪GENERAL PHYSICS (1‬‬ ‫الفرقة األولي‬ ‫المحاضرة الخامسة‬ ‫د‪ /‬ايمان محمد إبراهيم‬  ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.1...

‫الفيزياء العامة ( ‪) 1‬‬ ‫)‪GENERAL PHYSICS (1‬‬ ‫الفرقة األولي‬ ‫المحاضرة الخامسة‬ ‫د‪ /‬ايمان محمد إبراهيم‬  ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.1‬الشغل)‪(Work‬‬ ‫ "الشغل هو كمية الطاقة المنقولة عندما تؤثر قوة على جسم وتسبب في تحركه لمسافة ما في اتجاه القوة‪".‬‬ ‫‪W=F×d‬‬ ‫)‪ (Joule) (J‬بوحدة الجول )‪ (Work‬الشغل ‪W:‬‬ ‫)‪ (Newton) (N‬بوحدة نيوتن )‪ (Force‬القوة ‪F:‬‬ ‫)‪ (meter) (m‬بوحدة المتر )‪ (Distance‬المسافة ‪d:‬‬ ‫ مثال ‪:‬عند دفع صندوق لمسافة معينة بقوة ثابتة‪ ،‬فإن الشغل المبذول يساوي حاصل ضرب‬ ‫الصندوق‪.‬‬ ‫القوة في المسافة التي تحركها‬ ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.1‬الشغل)‪(Work‬‬ ‫مثال ‪:‬‬ ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.2‬الطاقة)‪(Energy‬‬ ‫ “الطاقة هي القدرة على القيام بشغل”‪.‬‬ ‫ أنواع الطاقة ‪:‬هناك أنواع عديدة من الطاقة‪ ،‬مثل الطاقة‬ ‫الحركية‪ ،‬الطاقة الكامنة‪ ،‬الطاقة الحرارية‪ ،‬الطاقة‬ ‫الكهربائية‪ ،‬وغيرها‪.‬‬ ‫ وحدة قياس الطاقة ‪:‬الجول)‪(Joule) (J‬‬ ‫ مبدأ حفظ الطاقة ‪:‬ينص مبدأ حفظ الطاقة على أن الطاقة‬ ‫ال تفنى وال تستحدث من العدم‪ ،‬بل تتحول من شكل إلى‬ ‫آخر‪.‬‬  ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.2.1‬طاقة الوضع (‪)Potential Energy‬‬ ‫ “طاقة الوضع هي الطاقة المخزنة في الجسم نتيجة لموقعه أو حالته‪.‬بعبارة أخرى‪ ،‬هي الطاقة التي يمتلكها الجسم‬ ‫بسبب موقعه بالنسبة لنقطة مرجعية معينة‪”.‬‬ ‫ أنواع طاقة الوضع‪:‬‬ ‫ طاقة الوضع الجاذبية‪ :‬هي الطاقة المخزنة في الجسم بسبب ارتفاعه عن سطح األرض‪.‬‬ ‫ طاقة الوضع المرنة‪ :‬هي الطاقة المخزنة في األجسام المرنة المشوهة‪ ،‬مثل النابض المضغوط أو المطاط الممدود‪.‬‬ ‫ طاقة الوضع الكهربائية‪ :‬هي الطاقة المخزنة في الشحنات الكهربائية‪.‬‬ ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.2.1‬طاقة الوضع (‪)Potential Energy‬‬ ‫ قانون طاقة الوضع الجاذبية‪:‬‬ ‫‪PE = mgh‬‬ ‫)‪( (Joule) (J‬طاقة الوضع) بوحدة الجول ‪PE :Potential Energy‬‬ ‫)‪( (kilogram) (kg‬الكتلة) بوحدة الكيلوجرام ‪m :mass‬‬ ‫‪( m/s²‬تسارع الجاذبية األرضية) قيمته تقريبا ً ‪g :acceleration due to gravity 9.8‬‬ ‫)‪( (meter) (m‬االرتفاع) بوحدة المتر ‪h :height‬‬  ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.2.1‬طاقة الوضع (‪)Potential Energy‬‬ ‫ مثال ‪:‬‬ ‫ طاقة الوضع الجاذبية إذا رفعت كرة بولنج كتلتها ‪kg 7.30‬من سلة الكرات إلى مستوى كتفك ‪ ،‬وكان ارتفاع سلة‬ ‫الكرات عن سطح األرض ‪ ،m 0.610‬وارتفاع كتفك عن سطح األرض ‪ ،m 1.12‬فما مقدار ‪:‬‬ ‫ ‪a.‬طاقة الوضع الجاذبية لكرة البولنج وهي على كتفك بالنسبة إلى سطح األرض؟‬ ‫ ‪.b‬طاقة الوضع الجاذبية لكرة بولنج على كتفك بالنسبة إلى سلة الكرات؟‬ ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.2.2‬طاقة الحركة (‪)Kinetic Energy‬‬ ‫ “طاقة الحركة هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب حركته‪”.‬‬ ‫ قانون طاقة الحركة‪:‬‬ ‫‪KE = 1/2 mv²‬‬ ‫)‪( (Joule) (J‬طاقة الحركة) بوحدة الجول ‪KE :Kinetic Energy‬‬ ‫)‪( (kilogram) (kg‬الكتلة) بوحدة الكيلوجرام ‪m :mass‬‬ ‫)‪( (meter/second‬السرعة) بوحدة المتر لكل ثانية ‪v :velocity‬‬ ‫)‪(m/s‬‬ ‫في العديد من األنظمة‪ ،‬تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركة والعكس‪ ،‬مع‬ ‫الحفاظ على الطاقة الكلية للنظام‪.‬‬ ‫دراجة مسرعة تمتلك طاقة حركة كبيرة‪ ،‬والتي‬ ‫كرة مرتفعة عن سطح األرض تمتلك طاقة وضع‬ ‫تزداد بزيادة سرعتها أو كتلتها‪.‬‬ ‫جاذبية‪ ،‬والتي تتحول إلى طاقة حركة عند‬ ‫سقوطها‪.‬‬  ‫مثال ( ‪: ) 12‬‬ ‫ تخيل كرة كتلتها ‪ 2‬كيلوجرام مرتفعة عن سطح األرض بمسافة ‪ 5‬أمتار‪.‬‬ ‫ حساب طاقة الوضع‪:‬‬ ‫‪PE = mgh = 2 kg × 9.8 m/s² × 5 m = 98 J‬‬ ‫ عندما تسقط الكرة‪ ،‬تتحول كل طاقة الوضع إلى طاقة حركة عند وصولها إلى‬ ‫األرض‪.‬‬ ‫ حساب السرعة عند الوصول إلى األرض‪:‬‬ ‫ )‪.KE = PE → 1/2 mv² = mgh → v = √(2gh‬‬ ‫ ‪= √(2 × 9.8m/s² × 5 m) ≈ 9.9 m/s‬‬  ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.3‬القدرة)‪(Power‬‬ ‫ " القدرة هي معدل بذل الشغل‪ ،‬أو بمعنى آخر هي كمية الشغل المبذول في وحدة الزمن‪".‬‬ ‫القانون ‪P = W / t‬‬ ‫)‪ (Watt) (W‬بوحدة الواط )‪ (Power‬القدرة ‪P:‬‬ ‫)‪ (Joule) (J‬بوحدة الجول )‪ (Work‬الشغل ‪W:‬‬ ‫)‪ (second) (s‬بوحدة الثانية )‪ (Time‬الزمن ‪t:‬‬ ‫ مثال ‪:‬مصباح كهربائي بقوة ‪ 100‬واط يعني أنه يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وحرارية بمعدل‬ ‫‪ 100‬جول في الثانية‪.‬‬ ‫الفصل الثالث ‪ :‬الشغل و الطاقة و القدر ة‬ ‫‪WORK-ENERGY-POWER‬‬ ‫ ‪ 3.3‬القدرة)‪(Power‬‬ ‫مثال ‪:‬‬  ‫والقدرة ‪:‬‬ ‫العالقة بين الشغل والطاقة‬ ‫ الشغل هو شكل من أشكال نقل الطاقة‪.‬‬ ‫ القدرة هي معدل بذل الشغل أو تحويل الطاقة‪.‬‬ ‫ الشغل ‪:‬هو كمية قياسية‪ ،‬أي ال يعتمد على‬ ‫ يمكن حساب الطاقة المبذولة من خالل ضرب القدرة في‬ ‫االتجاه‪.‬‬ ‫الزمن‪.‬‬ ‫ القوة والمسافة ‪:‬يجب أن يكون اتجاه القوة في‬ ‫نفس اتجاه اإلزاحة حتى يكون الشغل موجبا ً‪.‬‬ ‫ القدرة ‪:‬هي كمية قياسية أيضا ً‪.‬‬  ‫مثال )‪(13‬‬ ‫ تخيل أنك تدفع صندوقًا وزنه ‪ 100‬نيوتن لمسافة ‪ 5‬أمتار في زمن قدره ‪ 2‬ثانية‪.‬‬ ‫ حساب الشغل‪:‬‬ ‫ ‪W = F × d = 100 N × 5 m = 500 J‬‬ ‫ حساب القدرة‪:‬‬ ‫ ‪P = W / t = 500 J / 2 s = 250 W‬‬  ‫‪ 3.4‬حفظ الطاقة ( ‪CONSERVATION‬‬ ‫‪) OF ENERGY‬‬ ‫ مبدأ حفظ الطاقة هو أحد أهم المبادئ في الفيزياء‪.‬ينص هذا المبدأ على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تبقى ثابتة‪،‬‬ ‫أي أن الطاقة ال تفنى وال تستحدث من العدم‪ ،‬بل تتحول من شكل إلى آخر‪.‬‬ ‫محيطه‪.‬‬ ‫ فالنظام المعزول هو نظام ال يتبادل المادة أو الطاقة مع‬ ‫ مثال على حفظ الطاقة‪ :‬تخيل كرة تسقط من ارتفاع معين‪.‬في البداية‪ ،‬تمتلك الكرة طاقة وضع جاذبية‪.‬عندما تبدأ‬ ‫الكرة في السقوط‪ ،‬تتحول طاقة الوضع تدريجيا ً إلى طاقة حركة‪.‬وعند اصطدام الكرة باألرض‪ ،‬تتحول جزء من‬ ‫طاقتها الحركية إلى طاقة حرارية و صوتية‪.‬ولكن‪ ،‬إذا قمنا بجمع كل أشكال الطاقة التي تحولت إليها طاقة الوضع‬ ‫األولية‪ ،‬سنجد أن الطاقة الكلية للنظام (الكرة واألرض) ظلت ثابتة‪.‬‬  ‫‪ 3.4‬حفظ الطاقة ( ‪CONSERVATION‬‬ ‫‪) OF ENERGY‬‬ ‫ بعض األشكال الشائعة للطاقة تشمل‪:‬‬ ‫ الطاقة الحركية (‪ :)Kinetic Energy‬الطاقة المرتبطة بحركة الجسم‪.‬‬ ‫ طاقة الوضع (‪ :)Potential Energy‬الطاقة المخزنة في الجسم بسبب موقعه أو حالته‪.‬‬ ‫ الطاقة الحرارية (‪ :)Thermal Energy‬الطاقة المرتبطة بحركة الجسيمات داخل المادة‪.‬‬ ‫ الطاقة الكيميائية (‪ :)Chemical Energy‬الطاقة المخزنة في الروابط الكيميائية‪.‬‬ ‫ الطاقة النووية (‪ :)Nuclear Energy‬الطاقة المخزنة في نواة الذرة‪.‬‬ ‫ الطاقة الكهربائية (‪ :)Electrical Energy‬الطاقة المرتبطة بحركة الشحنات الكهربائية‪.‬‬ ‫‪ 3.4‬حفظ الطاقة ( ‪CONSERVATION‬‬ ‫‪) OF ENERGY‬‬ ‫بشكل عام‪ ،‬يمكن كتابة مبدأ حفظ الطاقة على النحو التالي‪:‬‬ ‫‪Ei = Ef‬‬ ‫أو‬ ‫‪Total Initial Energy = Total Final Energy‬‬ ‫حيث‪:‬‬ ‫ ‪ :Ei‬الطاقة الكلية للنظام في البداية‪.‬‬ ‫ ‪ :Ef‬الطاقة الكلية للنظام في النهاية‪.‬‬  ‫‪ 3.4‬حفظ الطاقة ( ‪CONSERVATION‬‬ ‫‪) OF ENERGY‬‬ ‫ مثال‬ ‫ خالل إعصار‪ ،‬سقط غصن شجرة كبيرة كتلته ‪kg 22.0‬و متوسط ارتفاعه عن سطح األرض ‪m 13.3‬على‬ ‫سقف كوخ يرتفع ‪m 6.0‬عن سطح األرض‪.‬احسب مقدار‪:‬‬ ‫ ‪a.‬الطاقة الحركية للغصن عندما يصل إلى السقف‪ ،‬وذلك بإهمال مقاومة الهواء‪.‬‬ ‫ ‪b.‬سرعة الغصن عندما يصل إلى السقف‪.‬‬  ‫‪ 3.4‬حفظ الطاقة ( ‪CONSERVATION‬‬ ‫‪) OF ENERGY‬‬ ‫ أمثلة على تطبيقات مبدأ حفظ الطاقة‪:‬‬ ‫ الجاذبية‪ :‬عندما تسقط كرة من ارتفاع‪ ،‬تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركة‪.‬‬ ‫ المرونة‪ :‬عندما نضغط على نابض‪ ،‬نخزن فيه طاقة وضع مرنة‪.‬وعند ترك النابض‪ ،‬تتحول هذه الطاقة‬ ‫إلى طاقة حركة‪.‬‬ ‫ الدوائر الكهربائية‪ :‬في الدائرة الكهربائية‪ ،‬تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وحرارية‪.‬‬ ‫ المحركات الحرارية‪ :‬في محرك االحتراق الداخلي‪ ،‬تتحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية‪ ،‬ثم‬ ‫إلى طاقة ميكانيكية تدفع المحرك‪.‬‬